微机原理、汇编语言与接口技术 教学课件 ppt 作者 韩晓茹 ch11 微型计算机总线技术

1、,第11章 微型计算机总线技术,11.1 总线概述,什么是总线？有什么作用？ 总线 被计算机系统中多个部件 分时 共享 的一组 信息传输线 及 相关逻辑。 组成： 一组传输线、总线接口和总线控制器。 共享：总线所连的各部件通过它来传递信息。 分时：某一时刻只允许一个部件向总线发送信息 分时共享的实现：硬件（如三态门）+ 软件（如协议） 作用： 计算机结构模块化，便于扩展 提高计算机系统的数据吞吐量,计算机中的总线结构形式,总线结构形式也在不断地发展演变，先后经历了单线结构、双总线结构和多总线结构形式。 单总线结构形式 各硬件模块都连接在唯一的一组总线上，结构简单。 如8086、8088计算机系统,计算机中的总线结构形式,双总线结构形式 双总线结构以上的计算机，将性能类似度分类； 每一类器件通过一组信号线相连，例如：,计算机中的总线结构形式,多总线结构形式 三总线及以上统称为多总线结构； 现代计算机多采用多总线结构，例如：,注：不同计算机系统采用的结构形式各不相同，同一种总线结构形式在不同计算机系统中的表现形式也不完全一样。,11.1.1 总线的性能指标,性能指标可以区分不同总线的特点。

2、 总线宽度：总线中数据信号线的数量，如8位、16位、32位和64位等。总线宽度越大，能够同时传送的二进制信息位数也就越多。 总线频率：总线时钟信号的频率，单位为Hz（赫兹）。 最大数据传输率：每秒钟能够传输的最大信息量，单位为B/s或者bit/s 。 信号线数：总线中信号线的总数，反映总线的复杂程度。 负载能力：也称驱动能力 ，可由总线所能连接的最大设备数直观地反映。,总线宽度、总线频率和数据传输率的关系,例题：某种总线的总线宽度为32bit，总线频率为33MHz，在每个时钟信号的上升沿都可以完成一次数据传输，试计算该总线的数据传输速率。 解：数据传输速率 = 32331068=132106（B/s） 思考：如果总线宽度提高为64bit，总线频率不变，在每个时钟信号的上升沿和下降沿都可以完成一次数据传输，重新计算总线的数据传输率。,几种典型总线的性能比较,11.1.2 总线的分类,总线技术在现代计算机系统中有着举足轻重的作用，种类繁多，可按不同的角度归类如下： 按照信息传送方式 并行总线和串行总线 按照信号定时方式 同步总线、异步总线和准同步总线 按照在计算机系统中所处的层次和地位 片

3、内总线：用于连接集成电路芯片各个主要组成部分； 局部总线：CPU引脚的延伸线路 ； 系统总线：连接计算机系统中CPU、主存、I/O设备等各大功能模块； 外总线：计算机系统之间或者与其它系统间的总线。,11.2 ISA总线,最初是IBM公司为推出基于Intel 80286中央处理器的计算机系统而采用的总线标准。用它将CPU、主存、各种I/O接口电路等通过一组ISA总线连接在一块，采用了单总线结构形式。 ISA总线不是一种开放型的总线，它与CPU的引脚有着较密切的联系，属于与硬件有关的总线。 ISA总线信号分为4组，A、B组各包含31个信号，C、D组各包含18个信号，因此ISA总线中共有98个信号。,A23A0：24根地址线,访问主存空间为16MB; D15D0：16根数据线,依次总线操作最多传送16bits。 ：I/O读取命令； ：I/O写入命令； ：主存储器读取命令； ：主存储器写入命令； IRQ3IRQ7、IRQ9IRQ12、IRQ14IRQ15：16个外部可屏蔽中断请求输入信号； DRQ0DRQ3、DRQ5DRQ7：7个DMA请求信号； 、 ：7个DMA应答信号。 AEN：地址锁存

4、允许信号，由DMA控制器发出。,ISA总线中的主要信号,11.3 PCI总线,PCI的产生与20世纪90年代以来高性能图形处理技术、多媒体技术以及Pentium处理器的面世和新一代视窗操作系统的诞生密切有关。 这些都对总线的性能提出了更高的要求。 自 20世纪90年代中期开始的十多年间，作为一种先进的局部总线，PCI在计算机局部总线结构中占据了统治地位。,11.3.1 PCI总线的主要特点,是一种开放的，不依赖于任何微处理器的局部总线标准，具有高度兼容性； 可工作在“32位33MHz”和“64位66MHz”两种模式，最高数据传输率分别为132MB/s和528MB/s； 采用同步时序控制，支持猝发式数据传输； 多主能力，支持任何PCI主设备和从设备之间点对点的访问； 采用隐式集中仲裁方式，每个主设备都通过一对单独的信号线向总线仲裁逻辑提交总线请求和接收总线允许信号。隐式仲裁的含义是在总线进行数据传送时进行总线仲裁，因此不会浪费总线周期； 具有即插即用PnP（Plug and Play）特性，支持设备自动配置，扩展灵活； 提供地址和数据信息的奇偶校验功能，保证信息的准确性； 采用地址/数据

5、信号多路复用技术，减少了信号线的数量，降低部件制造成本。,11.3.2 PCI总线信号,PCI总线共定义了120个信号，其中主控设备40条，从设备47条，以及若干电源、地和时钟信号等，PCI总线宽度可以扩展为64位。图中左边一列信号是PCI总线设备所必需的信号。,11.3.3 PCI总线命令,总线命令说明当前传输事务的类型，由主设备通过C/BE3:0信号线传送给从设备。 特殊周期：1种特殊的写操作，PCI 主设备可以将其信息通过特殊周期广播至PCI 总线上所有设备。 中断确认周期：1种特殊的读操作，主设备为HOS-PCI 桥，目标设备为含有中断控制器的PCI 总线设备，主要用于获取中断向量。 配置读/写周期：HOST-PCI桥通过配置读/写周期完成对PCI设备的配置功能，实现配置数据的读出或写入操作。,11.3.4 PCI总线数据传输过程,PCI总线采用地址数据复用技术，每一个PCI总线传输由一个地址相位(期)和一个或多个数据相位(期)组成。 在一个PCI总线周期中，主/从设备在每个时钟周期的上升沿对总线输入信号进行采样，在下降沿对输出信号进行驱动。 在PCI总线周期中可能会存在一个总

6、线交换周期，即驱动总线的设备发生了变换。 例如，总线读操作周期中，在地址相位后需要一个交换周期，该周期过后，AD3l:0改由从设备驱动，以接收从设备发出的数据。,（1）PCI单步读操作时序,读操作的时序图如下：,1. PCI单步读操作时序（续）,读操作的过程： 主设备在T0的前沿使FRAME*有效，表示总线周期的开始。并通过C/BE*输出总线命令代码，通过AD信号线输出数据的地址； 从设备在T0的中间跳变沿采集C/BE*及AD上的信号后做准备； 主设备在T1的前沿置FRAME*无效，撤销总线命令代码并开始输出字节使能信号，撤销地址信息并置AD信号线为高阻态，通过PAR信号输出地址/命令校验码，置IRDY*有效通知从设备已准备好接受数据。从设备必须在此时置DEVSELL信号有效来响应主设备，否则主设备将结束总线周期； 在T2的前沿，主设备撤销PAR上的校验码并置该信号线为高阻态。从设备将数据送上AD信号线，并置TRDY*有效，通知主设备数据已送出； 主设备在T2的中间上升沿采样AD线上的数据； 主设备在T3的前沿撤销C/BE*、AD、IRDY*上的信号，从设备通过PAR输出数据校验码，总

7、线周期结束。,2. PCI猝发写操作时序,猝发式写操作的时序如下：,2. PCI猝发写操作时序（续）,猝发式写操作的过程： 由于AD和PAR信号线在整个总线周期中都由主设备驱动，因此在送出地址和地址/命令校验位后不需要切换到高阻状态，AD信号线送出基地址信息后在下一个时钟周期开始送出数据信息，送出数据后的下一个时钟周期通过PAR信号线送出前一个数据的校验位； 主设备送出最后一个数据的同时使FRAME*无效，表示总线周期即将结束； 在数据传输过程中，如果主设备或从设备没有准备好发送或接收数据，应分别通过IRDY*和TRDY*信号告知对方。 在传送过程中如果IRDY*和TRDY*信号始终有效，则每一个时钟周期可完成一次数据传送。,11.4 PCI Express总线,PCI Express总线简称为PCI-E总线，是一种全双工差分式串行通信总线，与处理器内部结构无关。是现阶段计算机系统中应用较广泛的一种系统总线。 主要特点： 与结构、处理器、技术无关的开放型总线； 支持点对点的数据包同步串行传输，采用8B/10B编码方式，支持全双工传输制式； 信道宽度可动态配置； 支持与USB、IEEE

8、1394总线相同的设备热插拔和热交换功能； 具有错误处理和错误报告功能； 在软件层与PCI总线兼容； 扩展灵活，通过专用线缆可以将各种外设直接与系统内的PCI-E插槽连接。,11.4.1 PCI-E总线信号,11.4.2 PCI-E总线的传输方式,通过PCI-E总线连接的双方以数据包的形式串行发送和接收数据。,11.5 USB总线,USB（Universal Serial ）通用串行总线由于结构简单且具有较高的数据传输率，目前已成为主机与多种外围设备连接的首选形式。 主要特点： 支持热插拔，使用方便； 扩展灵活，可以采用串行连接形式或通过USB集线器连接多个设备，理论上可以连接127个设备，USB控制器能自动识别设备的接入和移除； 数据传输率高，早期的USB1.1最高传输速率为12Mb/s，USB2.0最高传输速率为480Mb/s，而USB3.0的数据传输率高达5Gb/s； 独立供电，USB接口提供了+5V电源，可向USB设备供电。,11.5.1 USB的构成,包括硬件和软件两部分： 硬件：USB主控制器/根集线器、USB集线器和USB设备 USB主控制器/根集线器 只能有一个 USB

9、集线器和USB设备可以有多个，为层次型星状结构：,注：USB总线最多支持127个设备（节点），每个设备有一个非零的7位地址。,11.5.1. USB的构成（续）,软件：主要是相关的驱动程序，包括： USB主控制器驱动程序 完成对USB交换的调度，并通过根Hub或者其它Hub完成对交换的初始化； USB驱动程序 在设备设置时读取描述符以获得USB设备的特征，并根据这些特征组织数据传输； USB设备驱动程序 通过I/O请求包将请求发给USB设备，这些请求包用于初始化一个给定的传输 。 操作系统中都集成了USB相关的驱动程序。但对于自己定制的USB设备需要专门开发USB设备驱动程序。,11.5.2 USB的接口信号,4根信号线：D+和D-为一对差分信号线，用来传输信号；VBUS和GND为电源线和地线。 USB设备的识别,识别方法： 通过USB设备端的上拉电阻（低速设备接D-，高速设备接D+）。 USB主机检测到D-（对于低速USB设备）或者D+（对于高速USB设备）的电位，当该电位约为Vcc*15/（15+1.5） 时表示有USB设备接入。,11.5.3 USB的传输方式,控制传输：主要用于自举过程，含23个传输阶段 设置阶段。启动控制传输的数据交换，并定义此控制传输的内容 （例如：读取设备配置信息）。 数据传输阶段。传输主机与设备之间需要交换的数据 。 控制读取是将数据从设备读到主机上，读取的数据主要是USB设备描述符。 控制写入则是将数据从主机传到设备上，所传的数据即为对USB设备的配置信息。 状态阶段。用来表示整个传输的过程已完全结束，传输方向必须与数据阶段的方向相反。 控制传输阶段会用到以下USB信息包：令牌包（SETUP、IN、OUT）、数据包（DATA0、DATA1）和握手包（ACK、NAK）。,控制传输的流程,建立过程使用SETUP包，如果涉及数据只能使用DATA0包。设备用ACK应答或不应答； 可选的数据过程。第一个数据包必须为DATA1包，每正确传输一个数据包就在DATA1、DATA0之间切换； 使用握手包的状态过程，只能使用DATA1包。 控制传输过程举例,11.5.3 USB的传输方式（续）,实时传输：用于以固定速率抵达或在指定时刻抵达，可以容忍偶尔数据出错的场合（

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